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中國的“長征五號”本次的發射對於宇宙探測至關重要,關係到天宮空間站、探月三期、四期工程,以及其它深空探測,中國於將於2020年上半年,發射“天宮空間站”的首個元件“天和核心艙”,7~8月發射“螢火二號·火星探測器”,實施中國首個獨立火星探測計劃,年底也將發射“嫦娥五號·月球探測器”,實現中國首次無人月面軟著陸並取樣返回,這也是此次發射如此引人關注的原因。

圖解:長征五號

“長征五號”基本引數

“長征五號”運載火箭又稱“胖五”,是中國為滿足航天發展需要,彌補中外差距,於2006年立項研製的一種一次性大型低溫液體捆綁式運載火箭,作為中國開展工程研製的第1款新一代大型運載火箭,“長征五號”的起飛重量約為870噸,起飛推力約為1060噸,是目前長征火箭中體型最大、推力最強的、整體技術位居世界前列。

“長征五號”的三大特點:體積大、運載能力強,研製難度高

第一、“長征五號”體積之大。

“長征五號”的直徑比中國現役運載火箭多出近一半,它的芯級直徑達5米,助推器直徑達3.35米,而中國現役運載火箭芯級直徑則為3.35米,助推器直徑達2.25米。“長征五號”總高度達57米,僅次於“長征二號”F運載火箭。

圖解:“長征五號”基本引數

第二、“長征五號”可搭載多個推進器。

“長征五號”共搭載12臺推進器,依靠著充足的燃料能為火箭提供強勁的推力,根據公開資訊,“長征五號”的近地軌道運載能力達到25噸級,地球同步轉移軌道運載能力達到14噸級,比現役火箭的運載能力至少提升了2.5倍,運載能力超過了國際上大型運載火箭近地軌道運載能力20噸,地球同步轉移軌道運載能力10噸。使中國運載火箭的規模實現從中型到大型的跨越,運載能力達到或超越國外主流大型運載火箭。

圖解:各國火箭運載能力對比圖

舉例說明:與美國“宇宙神5”“德爾塔4”,歐洲“阿里安5”等世界主力大型火箭相比,“長征五號”的運載能力也僅次於美國“宇宙神5”和“德爾塔4”位居世界前三。

第三、研製難度高。

根據“長征五號”運載火箭總體主任設計師“黃兵”的描述,從2006年立項研製到2016年首飛的十年間,研發團隊突破了,包括大直徑箭體結構技術、大推力無毒無汙染低溫推進技術等12項重大關鍵技術在內的,共計247項關鍵技術,新技術使用比例幾乎達100%。

所謂“十年磨一箭”,核心技術具有完全自主智慧財產權,這也使中國運載火箭的整體技術水平向前邁進了一大步,實現了長征火箭的升級換代,更為重要的是,“長征五號”的研製成功還為中國未來載人登月用的重型火箭研製奠定了很好的基礎。

“長征五號”動力系統

運載火箭與飛機、汽車一樣,發動機是動力系統的核心,為了把更重的載荷送到更高更遠的地方,火箭不僅需要最好的發動機,而且一支多級火箭往往需要搭配不同型別的發動機,通常中型以上的液體燃料火箭,初級都採用大推力但效率略差的液氧煤油發動機。

芯級火箭則採用效率高的液氫液氧發動機,這樣的高低搭配可以使火箭的效能和價格比取得最優。液氫液氧發動機的優勢主要在於比衝高,比衝是衡量火箭燃燒效率的指標,比衝值越高,,消耗同等品質的燃料,產生的衝量越大,即火箭能獲得更大的加速度,因此攜帶高比衝燃料的液氫液氧發動機,可以把火箭射得更高更遠,但它有一個明顯的缺點,就是作為發動機燃料的液氫和液氧比重太小,在相同品質下液氫和液氧會佔用更大的體積,這會導致火箭“臃腫不堪”,同時超低溫的液氫和液氧的生產、儲存和執行,都會帶來一系列的技術難題,這也導致使用液氫液氧發動機的成本較高。

圖解:液氫液氧發動機(珠海展會)

而液氧煤油發動機雖然比衝高要差一些,但推力較強,可靠性高,成本也比液氫液氧發動機低,一般用於火箭的助推器中,出於價效比的考慮,“長征五號”也採用上述結構。

作為一款兩級半液體火箭,“長征五號”搭載了3種,共12臺發動機為火箭飛行提供動力

“長征五號”搭載了4個火箭助推器,每個助推器裝有2臺中國產YF-100,液氧煤油發動機,單臺推力達120噸,是目前中國推力最大的火箭助推器,火箭發射時,4個火箭助推器中的8臺液氧煤油發動機,和火箭芯一級中的2臺50噸級液氫液氧發動機同時點火,能為“長征五號”產生共計1060噸的起飛推力,足以推動火箭脫離地面,飛向太空。

第一階段:火箭起飛約173秒後,4個火箭助推器完成任務,與火箭主體分離,芯一級火箭(液氫液氧發動機)繼續推動“長征五號”前進。

圖解:4個火箭助推器分離

“長征五號”芯一級火箭,裝有2臺中國產YF-77液氫液氧發動機,單臺推力達50噸,是中國目前研製推力最大的“氫氧火箭發動機”,與現役的“氫氧發動機”相比,推力提升了近9倍,整體水平與國際接軌。

第二階段:起飛約475秒後,芯一、二級火箭分離,安裝在火箭二級箱體內的2臺中國產FY-75D氫氧發動機點火,為火箭提供推力。

圖解:芯級火箭分離

“FY-75D氫氧發動機”的單臺推力為9噸,採用膨脹迴圈動力,是中國目前比衝效能最高的火箭發動機,具備高空多次啟動能力。

第三階段:火箭起飛約1783秒後,火箭的上面級與基礎級分離,也就是俗稱的“星箭分離”,至此“長征五號”運載火箭發任務基本完成。

“長征五號”的研究難度

除了2019年發射的這次,“長征五號”運載火箭共發射過2次“長征五號”。一次成功、一次失敗。成功率只有50%。這在長征系列運載火箭歷史上是很少見的,要知道截止到今,長征系列運載火箭共計發射322次,功率超過96%,極低的成功率反映出“長征五號”的研究難度之高。

在“長征五號”整個發展歷程中,包括這一次總共歷經了三次的發射任務,分別是:

第1次發射記錄是在2016年11月3日,利用“長征五號”遙一火箭發射了實踐十七號技術試驗衛星,此次任務獲得了圓滿成功。

第2次發射記錄是在2017年7月2日,利用“長征五號”遙二火箭發射了實踐十八號技術試驗衛星,但火箭飛行過程中出現異常,導致發射任務失敗。根據調查結果顯示,是芯一級火箭液氫液氧發動機一分機渦輪排氣裝置在複雜力熱環境下,區域性結構發生異常,發動機推力瞬時大幅下降,導致發射任務失利。

第3次發射記錄是在2019年12月27日晚間8:45,在經過長達900多天的研製,並且克服了重重難關,所以才有了2019年12月27,“長征五號”再次問鼎天際的時刻。

圖解:2019年12月27日晚間8:45,“長征五號”再次問鼎天際的時刻

結語

“長征五號”是中國第1種真正意義上的重型運載火箭,中國未來的所有的航天探測都離不開它,所以說它對我們國家意義重大,比如說空間站建設、探月工程、火星探測工程以及未來探測更加浩瀚的宇宙,都要從它開始,所以“長征五號”,對於我們而言,就是一支“追夢之箭”,這也是“長征五號”的再次發射能夠牽動全體國人的心原因就在這裡了。

圖解:“追夢之箭”

特別是21世紀以後,各個國家都推出了自己的重型運載火箭,比如說西方的“獵鷹”等等。中國的“長征五號”呢,它是在2006年正式立項,在2016年進行首發,整整10年,可謂“十年磨一箭”,所以說“長征五號”對航天工程的影響是非常大的,重新點燃了我們的熱情,相信中國的航天事業發展會越來越蓬勃,也相信我們的“胖五”在接下來的航天工程中能夠起到巨大的作用。

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